一種新型四路毫米波空間功率合成技術(shù)

1 引言

大功率毫米波源是毫米波雷達(dá)、通訊、干擾機(jī)、精確武器制導(dǎo)系統(tǒng)中發(fā)射前端的核心部件。固態(tài)器件以直流電壓低、可靠性高、抗沖擊性能強(qiáng)、電路結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕而倍受重視。然而隨著頻率升高，單個固態(tài)器件的功率輸出就會迅速減少，難于滿足實(shí)際應(yīng)用要求。通過組合多個相干工作固態(tài)器件或疊加多個分離器件輸出功率的功率合成方法是提高毫米波系統(tǒng)輸出功率的有效方法,得到非常廣泛的應(yīng)用。

本文提出了基于波導(dǎo)的四路空間功率合成網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)可以很好的保證功率等幅同相四等分。同時，以波導(dǎo)作為輸入和輸出，可以減少在輸出高功率能量時的損耗。利用三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真結(jié)果顯示，在31GHz-38GHz的范圍內(nèi)，功分網(wǎng)絡(luò)的四路幅度不平衡度小于0.05dB，相位也取得了很好的一致性，并且輸入端的回波損耗小于-20dB。整個合成網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出端的回波損耗也小于-12dB，插入損耗小于0.6dB。

2 功率分配器設(shè)計

基于波導(dǎo)的四路功率分配器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于T型結(jié)功率分配網(wǎng)絡(luò)本身是不匹配的，需要在分支接頭處放入適當(dāng)?shù)钠ヅ湓碚{(diào)節(jié)各端口的匹配情況。本文在分支接頭處增加了一個起匹配作用的不連續(xù)性結(jié)構(gòu)，改變該結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)該功率分配網(wǎng)絡(luò)的中心頻率和帶寬。由于功率分配器是對稱的，4個輸出端口的幅度和相位均一致。

圖1 四路功率分配結(jié)構(gòu)

功率分配器通過HFSS仿真的結(jié)果如圖2所示：

(a) 幅度

(b) 相位

圖2 功率分配器的仿真結(jié)果

從圖2中可看出，四路功率分配器可以在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率分配，且輸入端口回波損耗小于-15dB。同時，由于功分網(wǎng)絡(luò)的對稱性，其相位一致性很好。

3 功率合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

探針式波導(dǎo)-微帶過渡是毫米波平面集成電路中應(yīng)用最為廣泛的一種過渡結(jié)構(gòu)，根據(jù)微帶電路平面與波導(dǎo)中波傳播方向的關(guān)系不同可分為兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是微帶電路平面與波導(dǎo)中波的傳播方向垂直，如圖3所示；另外一種是微帶電路平面與波導(dǎo)中波的傳播方向平行，如圖4所示。

本文采用圖4所示的微帶平面與波傳播方向平行的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Ka波段波導(dǎo)-微帶的過渡。在這種結(jié)構(gòu)利用一段起耦合作用的微帶探針把波導(dǎo)中的電磁場耦合到微帶中，并經(jīng)過一段高阻抗線過渡到50Ω微帶線。采用適當(dāng)?shù)鸟詈铣叽缫詼p小微帶電路對波導(dǎo)內(nèi)部電場的影響。

圖3 微帶平面與波傳播方向垂直

圖4 微帶平面與波傳播方向平行

四路功率合成網(wǎng)絡(luò)的模型如圖5所示：

圖5 四路功率合成網(wǎng)絡(luò)的模型

首先，四路等功率分配網(wǎng)絡(luò)把波導(dǎo)能量等分到四路減高波導(dǎo)，然后通過波導(dǎo)-微帶探針過渡，經(jīng)四路功率合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功率合成。仿真結(jié)果如圖6所示：

圖6中可看出，在31GHz-38GHz的頻率范圍內(nèi)，合成網(wǎng)絡(luò)背靠背仿真的輸入和輸出端口回波損耗小于-12dB，插入損耗小于0.6dB。

圖6 功率合成器仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了一種適用于毫米波頻段的基于波導(dǎo)的四路空間功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)利用矩形波導(dǎo)作為輸入和輸出端口，通過一分四功率分配結(jié)構(gòu)進(jìn)行功率分配/合成。經(jīng)HFSS軟件仿真和優(yōu)化，該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出極低的插入損耗和回波損耗，是一種具有實(shí)用價值的功率合成結(jié)構(gòu)。